【摘 要】
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在无源无损的要求下,声学超表面大多是基于广义Snell定律(GSL)设计的,在该定律下,整个表面满足局域能流守恒条件。然而,最近对异常反射超光栅的研究表明,这类结构在其效率上有一个内在的固有问题。为了解决这一问题,必须放宽局域能流守恒条件的限制,引入非局域能流守恒条件。为了凸显局域性设计与非局域性设计的区别,我们以异常反射超表面为例对基于GSL的相位梯度法及超表面的非局域性进行了阐述。表明了超表面
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在无源无损的要求下,声学超表面大多是基于广义Snell定律(GSL)设计的,在该定律下,整个表面满足局域能流守恒条件。然而,最近对异常反射超光栅的研究表明,这类结构在其效率上有一个内在的固有问题。为了解决这一问题,必须放宽局域能流守恒条件的限制,引入非局域能流守恒条件。为了凸显局域性设计与非局域性设计的区别,我们以异常反射超表面为例对基于GSL的相位梯度法及超表面的非局域性进行了阐述。表明了超表面的非局域性主要是指表面能流不再逐点守恒,而是在某一特定区域内守恒。在这里,我们还发现基于GSL设计的声聚焦超表面也存在效率低的问题。所以我们通过全面描述GSL聚焦结构的设计原理,验证了其聚焦效率低的原因是表面不能同时满足所需的相位条件和局域能流守恒条件,局域能流守恒条件需要被放宽。为此我们引入了一种非局域能流共形超表面的设计,这种设计是先通过分区域的非局域能流守恒条件求出自定义反射场,然后再通过搜索能流共形表面轮廓,设计了一种用于声聚焦的二维非局域超表面。与基于GSL设计的聚焦超表面相比,这种设计方案具有更好的聚焦效果,特别是当超表面的数值孔径(NA)变大时非局域能流共形聚焦超表面的优势更明显。这种设计方法也不再是一种周期设计,因而为复杂目标场超表面的设计提供了一种通用的方法。但是这种设计并不是最优的声聚焦超表面设计,因为它没有在整个表面满足非局域能流守恒条件。所以我们还做了一种混合式聚焦超表面的设计尝试。这种表面的中间区域由GSL设计,两侧边缘区域通过超光栅设计。这种表面在一定程度上规避了GSL设计在操纵角度大时效率低的问题,但是这种结构与基于GSL设计的聚焦表面相比聚焦效果并没有提高。出现这种结果可能是因为该结构仍然是一种由单独设计的结构单元的排列而成的局域超表面,并且这种独立单元式设计没有考虑波场在表面上的连续性。
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